1 VERICUT軟件系統(tǒng)及其功能

　　VERICUT是由美國(guó)CGTeeh公司開(kāi)發(fā)的基于Windows及UNIX平臺(tái)上模擬數(shù)控機(jī)床加工仿真和優(yōu)化的軟件系統(tǒng)。它可取代傳統(tǒng)的切削試驗(yàn)，真實(shí)地模擬機(jī)床加工過(guò)程中零件、夾具、工作臺(tái)、機(jī)床各軸及刀具切削的運(yùn)動(dòng)情況，不僅能夠?qū)C(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，而且能夠?qū)C程序進(jìn)行驗(yàn)證、優(yōu)化及加工精度分析。幫助操作者修正編程錯(cuò)誤和改進(jìn)切削效率，已成為提高數(shù)控加工質(zhì)量的高效工具。

　　VERICUT軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖，如圖l所示。由圖知，在VERICUT軟件環(huán)境下，通過(guò)所建立的數(shù)控仿真系統(tǒng)模型，以零件結(jié)構(gòu)、刀具結(jié)構(gòu)和數(shù)控程序?yàn)檩斎耄蓪?shí)現(xiàn)VERICUT軟件環(huán)境下各實(shí)體運(yùn)動(dòng)仿真、刀具加工路徑優(yōu)化和零件加工實(shí)體誤差分析。

　　圖1 VERICUT軟件功能結(jié)構(gòu)圖

　　2 VERICUT系統(tǒng)建模

　　VERICUT系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過(guò)程的仿真，通過(guò)以下三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：(1)建立機(jī)床的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;(2)建立仿真過(guò)程所需相關(guān)信息，如實(shí)體模型，包括刀具、工件和夾具等幾何模型，刀位軌跡或數(shù)控加工程序，配置仿真過(guò)程相應(yīng)參數(shù)等;(3)進(jìn)行數(shù)控加工過(guò)程的仿真及仿真后處理分析。

　　2.1數(shù)控機(jī)床建模

　　數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模型及其控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真的運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)。在VERICUT軟件環(huán)境下，構(gòu)建數(shù)控機(jī)床模型通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。

　　2.1.1根據(jù)用戶特定要求建立數(shù)控機(jī)床模型

　　這種方式下，與實(shí)際制造數(shù)控機(jī)床的過(guò)程相似。根據(jù)數(shù)控機(jī)床具體結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)建數(shù)控機(jī)床各組成部分的幾何實(shí)體模型。VERICUT軟件只提供了塊體、柱體和錐體的簡(jiǎn)單模型，對(duì)于機(jī)床更為復(fù)雜的模型建模可以借助CAD/CAM系統(tǒng)生成實(shí)體模型，如PROE、UG、Solid Works等軟件進(jìn)行建模，再以IGES、STL等文件格式導(dǎo)人VERlCUT。機(jī)床各部分幾何實(shí)體模型以組件樹(shù)形式將各實(shí)體模型按照數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式組合在一起，組件樹(shù)可以控制各實(shí)體模型的連接方式，因此定義數(shù)控機(jī)床幾何實(shí)體模型時(shí)需注意機(jī)床各組件間的相互依附關(guān)系。數(shù)控機(jī)床幾何模型設(shè)置完成后，還需對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行初始化設(shè)置和控制系統(tǒng)設(shè)定。初始化設(shè)置包括機(jī)床干涉檢查設(shè)置，用于檢測(cè)機(jī)床組件之間是否發(fā)生干涉及發(fā)生干涉的臨界值;機(jī)床行程設(shè)置，用于設(shè)置機(jī)床各移動(dòng)部件的行程范圍，當(dāng)仿真過(guò)程出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)超程即提示報(bào)警;機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸分配，用于設(shè)置快速運(yùn)動(dòng)時(shí)各軸的運(yùn)動(dòng)模式;機(jī)床數(shù)字控制系統(tǒng)配置，使機(jī)床具有解讀數(shù)控加工代碼、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)算、仿真顯示等功能。VERICUT支持SIEMENS、FANUC、CINCINNATI等多種控制系統(tǒng)文件，可直接調(diào)用使用，也可對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)文件進(jìn)行修改，定制特定的控制系統(tǒng)文件。

　　2.1.2調(diào)用系統(tǒng)提供的數(shù)控機(jī)床模型

　　VERICUT自身提供了幾十種數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)文件，可直接調(diào)用使用。對(duì)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)文件進(jìn)行修改、調(diào)整、重新加載后可快速實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床建模。

　　設(shè)計(jì)完成數(shù)控機(jī)床幾何建模、機(jī)床初始化設(shè)置，配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)、機(jī)床文件和工作文件后便可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床建模。VERICUT軟件環(huán)境下建立的數(shù)控機(jī)床模型，如圖2所示。

　　圖2 VERICUT環(huán)境下的數(shù)控機(jī)床模型

　　2.2毛坯、夾具建模

　　毛坯建模為數(shù)控仿真系統(tǒng)提供可供加工的零件實(shí)體，夾具建模則可檢測(cè)夾具與機(jī)床的其它運(yùn)動(dòng)部件之間是否會(huì)產(chǎn)生干涉或碰撞。VERICUT軟件基于類的概念設(shè)定組件(components)，不同的組件代表不同功能的實(shí)體模型，如“stock”代表加工毛坯、“Fixture”代表夾具、“guide”代表導(dǎo)軌等。組件具有屬性，系統(tǒng)根據(jù)組件類型和屬性不同而進(jìn)行不同的操作處理。通過(guò)添加幾何模型(model)到組件，使幾何模型具有組件的屬性及幾何模型自身的3D尺寸、形狀屬性。

　　毛坯、夾具、刀具、機(jī)床軸等組件模型，如實(shí)際加工系統(tǒng)中各實(shí)體間的相互連接關(guān)系一樣進(jìn)行裝配，連接到數(shù)控機(jī)床模型正確的位置構(gòu)成組件樹(shù)，系統(tǒng)控制文件將控制各組件模型的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與其實(shí)際加工過(guò)程各自運(yùn)動(dòng)相同。

　　2.3刀具建模

　　為了使建立的數(shù)控加工仿真模型能適應(yīng)不同的加工程序，可以建立特定機(jī)床所使用的所有刀具構(gòu)成刀具庫(kù)。刀具庫(kù)中的每—把刀具都具有唯一的ID編號(hào)，仿真時(shí)數(shù)控程序通過(guò)刀具號(hào)調(diào)用刀具。

　　在“Tool Manager’界面下定義刀具類型及參數(shù)屬性，實(shí)現(xiàn)刀具建模。鏜銑類刀具由與主軸孔相適應(yīng)的工具柄部、與刀具柄部相連接的工具裝夾部分和切削刃3部分組成，軟件中分別用Holder2、Holderl和Cutter表示這3部分。車削類刀具一般由刀片和刀柄兩部分組成，軟件中分別用Cutter和Holder表示這2部分。其中“Holder"刀柄部分為刀具的“非切削”部分，用以檢測(cè)碰撞。刀具相關(guān)屬性，如刀片結(jié)構(gòu)形式、刀柄形式及尺寸等參數(shù)可在Cutter、Holder(Holder2、Holderl)界面內(nèi)設(shè)定。程序中如使用到多刀進(jìn)行加工，可重復(fù)設(shè)定刀具并組成刀具庫(kù)，編輯設(shè)定刀具庫(kù)換刀方式實(shí)現(xiàn)程序?qū)Φ毒叩恼{(diào)用。

　　3系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

　　為在VERICUT環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)控虛擬加工，需調(diào)入零件加工刀具軌跡文件進(jìn)行仿真加工。VERICUT軟件可對(duì)APT刀位軌跡和G代碼刀位軌跡文件的模擬。APT代碼文件由CAM系統(tǒng)輸出。這種代碼是中間過(guò)渡性文件，不能被數(shù)控機(jī)床直接調(diào)用。在應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床加工前，須經(jīng)后置處理轉(zhuǎn)化成包含所使用數(shù)控機(jī)床特定G代碼格式的文件，VERICUT軟件中可實(shí)現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換以提高程序?qū)?shù)控設(shè)備的適應(yīng)性。通過(guò)將“Setup”一“Toolpath”一"Toolpath Type”設(shè)置為“APT’或“G-Code”等方式，并完成刀具軌跡仿真的相關(guān)設(shè)置。此外，還需進(jìn)行工件編程原點(diǎn)、刀具補(bǔ)償以及數(shù)控加工刀具號(hào)和刀具庫(kù)文件中的刀具映射等設(shè)置內(nèi)容。

　　4 VERICUT系統(tǒng)虛擬加工仿真

　　在完成數(shù)控機(jī)床建模、毛坯、夾具建模、刀具建模及系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)置后，便可進(jìn)行虛擬加工仿真。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的是通過(guò)考察各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢驗(yàn)數(shù)控程序在加工過(guò)程中是否發(fā)生干涉、碰撞以及校核數(shù)控加工程序是否正確。干涉檢查可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床部件及安裝在其上的刀具、夾具和工件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的不期望接觸;碰撞檢查可以發(fā)現(xiàn)由于編程錯(cuò)誤產(chǎn)生的刀具在快速趨近工件時(shí)未能轉(zhuǎn)換成切削進(jìn)給而引起的刀具與工件的撞擊。車削軸零件的加工模擬實(shí)例，如圖3所示。

　　圖3軸零件模擬車削加工

　　5仿真后處理

　　5.1優(yōu)化路徑模塊

　　優(yōu)化路徑模塊可基于切削條件和需切削的材料量自動(dòng)修正進(jìn)給率。優(yōu)化路徑模塊可大量節(jié)約零件加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。VERICUT的路徑優(yōu)化過(guò)程是重新計(jì)算進(jìn)給速度或主軸轉(zhuǎn)速后產(chǎn)生新的優(yōu)化刀具軌跡文件，而刀具路徑保持原路徑不變。

　　刀具軌跡優(yōu)化的步驟：(1)準(zhǔn)備刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前校驗(yàn)刀具軌跡，確保無(wú)誤。完成軟件處理的刀具軌跡文件設(shè)定工作，如模型、刀具軌跡文件名、定位數(shù)據(jù)及切削刀具等。(2)選擇OpfiPmh Module模塊，進(jìn)入“OptiPath”+“Control”界面，根據(jù)切削條件因素設(shè)定切削刀具類型(材料、形狀、刀具長(zhǎng)度等)、毛坯材料、機(jī)床性能(功率、最大進(jìn)給速度、冷卻能力等)等參數(shù)。(3)選擇交互式優(yōu)化方式生成優(yōu)化刀具軌跡庫(kù)或用“OptiPath”一“Manager”方式生成刀具軌跡文件里的優(yōu)化刀具記錄。

　　優(yōu)化刀具軌跡通過(guò)讀入NC刀具軌跡文件并將走刀運(yùn)動(dòng)分成許多細(xì)小的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)各段程序的材料去除量，為各段切削程序確定最佳進(jìn)給量，輸出—個(gè)等效于原始刀具軌跡但改善了進(jìn)給速度設(shè)定的新刀具軌跡文件。劉衛(wèi)等人通過(guò)瓶子型腔銑削加工對(duì)比，驗(yàn)證了優(yōu)化程序后比優(yōu)化前平均省時(shí)46.8%。

　　5.2 AUTD—DIFF模塊

　　軟件的AUTO—DIFF模塊可將VERICUT仿真模型與設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢查出仿真加工中的過(guò)切或欠切現(xiàn)象，并使用軟件其它功能(如“X-Caliper’或“Zoom”)來(lái)測(cè)量和幫助判斷產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因，以便實(shí)際加工前及時(shí)糾正錯(cuò)誤。

　　AUTO—DIFF模塊支持大部分CAD/CAM系統(tǒng)的實(shí)體模型，可將設(shè)計(jì)表面、實(shí)體模型的外殼與被仿真零件進(jìn)行比較，檢測(cè)錯(cuò)誤或超出設(shè)定公差范圍的情況，并以不同顏色辨別區(qū)分擦傷、碰撞或殘余的材料。AUTO-DIFF模塊根據(jù)設(shè)定的公差要求進(jìn)行分析后的顯示結(jié)果及分析報(bào)告，如圖4所示。

　　圖4 AUTO-DIFF模塊分析及分析報(bào)告

　　6結(jié)論

　　基于VERICUT軟件的虛擬制造技術(shù)能夠?qū)唧w加工過(guò)程進(jìn)行仿真、優(yōu)化，并對(duì)虛擬加工結(jié)果進(jìn)行分析，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)實(shí)際加工中出現(xiàn)的問(wèn)題，以較優(yōu)的加工工藝投入生產(chǎn)。基于VERICUT軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)軟件的優(yōu)化處理模塊，可對(duì)數(shù)控加工代碼進(jìn)行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。AUTO-DIFF模塊還可將VERICUT仿真模型與設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢查出仿真加工中過(guò)切或欠切區(qū)域，判斷誤差原因，提高加工質(zhì)量。